Концепции современного естествознания

примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественному отбору.

PAR OCCASION (фр.) – по случаю

Другой тип молекул, играющих решающую роль в живой материи, – нуклеиновые кислоты. По химическому составу различают два типа таких кислот: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). ДНК находится главным образом в клеточном ядре, а РНК – и в ядре, и в цитоплазме. Обе они в свою очередь состоят из химических соединений трех типов: азотистых оснований, сахаров и фосфорной кислоты. Эти

соединения приведены в таблице 8.

Структурные формулы оснований приведены на рис. 46. Все три компонента, связанные в одно целое, называются нуклеотидом. Ради упрощения мы будем обозначать нуклеотиды так же, как их основания. Одним из фундаментальных успехов в области исследования молекулярного строения живой материи было открытие (1953) вторичной структуры молекулы ДНК. Она представляет собой двойную спираль и известна как модель Уотсона – Крика. Эта модель нашла многократное подтверждение, и теперь она – в своей стилизованной форме (рис. 47) – в какой–то мере олицетворяет целую науку – молекулярную биофизику.

На рисунке схематически представлена и химическая структура молекулы. Для наших дальнейших рассуждений важно, что две ее цепи комплементарны (т. е. взаимно дополняют друг друга) в том смысле, что тимину (Т) всегда соответствует в другой цепи аденин (А), а цитозину (Ц)

–гуанин (Г). Взаимно соответствующие основания всегда лежат напротив друг друга и связаны водородными мостиками: пара Ц – Г двумя, а пара А

–Т тремя. Эти мостики служат единственными связями между обеими цепями и стабилизируют всю молекулу.

511

Клетки – элементарные частички жизни, самые мелкие составные компоненты организма, определяющие его живое состояние. Клетки различаются по размеру, форме, функциональному назначению, и нет ничего такого, что можно было бы назвать «типичной» клеткой. Однако у большинства клеток много общего, и имеет смысл вообразить некую «типичную» клетку животного, такую, какая показана на рисунке 48.

Что же касается молекулы РНК, модель Уотсона – Крика для нее не подходит, так как РНК состоит из одной цепи. По–видимому, молекула РНК должна иметь форму спиралевидного волокна, которое иногда переворачивается, образуя боковые петли. Такие молекулы, как правило, связываются с молекулами белков в более сложные структуры.

В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК-хранители генетической информации – и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себе функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул. В некий момент времени «живая система» из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной и эта более защищенная от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начала трем основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остается загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени – первые простейшие организмы появились слишком внезапно. В течение многих лет ученые полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 млрд. лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур возраст которых, составляет, по крайней мере, 3,86 млрд. лет. Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий

(рис. 49).

513

ни? Приведенное ниже сравнение одноклеточных организмов с клетками человека выявляет много черт сходства.

Рис. 50. Сравнение одноклеточных организмов и клеток человек

515

11.7. Жизнь – как физико-химический процесс

Вся жизнь Земли, подобно жизни организмов, есть…длинная цепь превращения, смена…систем равновесия.

И. Гете

Шредингер отметил, что биологические объекты не являются замкнутыми, а взаимодействуют со средой, в которой имеются потоки энергии и вещества, обусловленные притоком солнечного света и космического излучения. Функционирование живого организма сводится к пропусканию через себя части этих потоков и их преобразованию. Энтропия открытой системы может даже уменьшаться со временем благодаря уходу ее от системы в окружающую среду или, как выражался Шредингер, организм «питается отрицательной энтропией». Для Шредингера организм есть «апериодический кристалл», т.е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении элементов - клеток, молекул, атомов. Поэтому явление типа самоорганизация возможны, и не в живой природе в сильно неравновесных открытых системах. И такие системы были обнаружены.

Понятие «жизнь» охватывает множество явлений различной степени сложности, и его определение с разных позиций будут не однозначными. Даже само разграничение живого и не живого весьма относительно, например, его сложно провести у вирусов. С одной стороны, это частицы, характеризующиеся определенной формой и составом, и способные, подобно не органическим частицам, образовывать кристаллическую решетку. Их можно разложить на отдельные молекулярные компоненты и вновь собрать в инфекционные единицы, в которых их индивидуальные качества будут утеряны. С другой стороны, существование вирусов определяется условиями внешней среды, как у живых организмов.

Тепловые флуктуации, создающие возмущение при передачи информации, и конечность значений энергии взаимодействия молекул нарушают точное воспроизведение информации. Это приводит к ошибкам, или мутациям влияющим на его эволюционный процесс. Но есть и определенные количественные ограничения, от которых зависит эффективность такой трансляции.

Эти три условия необходимы для существования жизни. Открытие молекулярного механизма переноса информации и наследование в живых организмах одно из величайших научных достижений. «Законодательные» функции при этом принадлежат нуклеиновым кислотам а «исполнительные» – белкам, определяющим коррелированную во времени программу синтеза живой клетки. Вопросы, связанные «Началом» всего, до-

516

пускает разные возможности: «начало» однозначно определяется взаимодействиями, присущими материи, и предопределяет путь и цель эволюции; «Начало» есть чисто случайное событие. Хотя вероятность такого события чрезвычайно мала, она отлична от нуля, но, чтобы ей проявиться в макроскопических масштабах, она должна быть достаточно устойчива и способна к распространению.

Процесс эволюции можно сопоставить с так называемыми стратегическими играми, в которых правила или законы взаимодействуют со случайностями. Следуя единству Природы и Духа, такие модели называют «Игрой в бисер». Они описаны в книге Германа Гессе того же названия: «Эти правила, язык законов и грамматики Игры суть не что иное, как высокоразвитая тайнопись, к которой причастны многие искусства и науки, особенно математика и музыка (соответственно и музыковедение), и которая способна выразить и связать друг с другом содержание и результаты почти всех наук».

К сопоставлению жизни и игры пришел Эйген, исследовавший быстропротекающие химические реакции. В которых он смешал равновесие короткими импульсами энергии. Эйген занялся добиологической и биологической эволюцией, уделяя внимание процессам возникновения самоорганизации материи. Он обратил внимание на возможность описания и изучение этих сложных процессов с помощью понятий, разработанных в теории информации в процессе развития.

Таким образом, эволюция состоит из ряда не устойчивостей, которые могут при развитии необратимо менять распределения вероятностей, причем происходит как прирост или возникновение новой информации, так и выявление уже имеющийся, но скрытой «шумами» информации. Это не целеноправленый флуктационный процесс, игра еще достаточна, сложна чтобы обеспечить увеличение ценностей получающейся информации [78].

Самоорганизацию макромолекул изучал Г. Кастляр. Отметив различия между возникновением (приростом) новой информации и выявлением уже имеющейся, он оценил и количество имеющийся в организме информации. Но для биологии важна и качественность или ценность, информации, возрастающая в процессе эволюции. Ценность информации, как определил ее относительную значимость Шмальгаузен в книге «Кибернетические проблемы биологии» (1968) можно связать со степенью ее незаменимости.

11.8. «Жизнь» – это игра

Жизнь – это игра, в которой нет Setup.

Информация, №1, 2004, с. 214

517

Английский математик Конуэй придумал в 1970 г. игру под названием «Жизнь», которая имитирует рост, распад, изменения и усложнения, происходящие в популяции живых организмов. Эта игра, стала предметом многих математических и кибернетических научных исследований, так как устойчивость возникающих «глайдеров» позволяет рассчитывать на использовании их в качестве носителей информации и вычислений, на которые способны самые мощные ЭВМ.

Игру проводят на плоской поверхности, разбитой на квадратные клетки или на доске для игры «го». Каждая клетка может быть или пустой, или занятой фишкой (организмом), общее состояние определяется занятостью клеток. Игра состоит из дискретных ходов, которые имитируют смену поколений, а переход от поколения к следующему происходит по правилам выживания, гибели и рождения. Выживание фишки в следующем поколении определяется занятостью 2 – 3 соседних клеток. Фишка удаляется с доски (гибнет), если занято более трех (перенаселенность) или менее двух (большая изоляция индивида) соседних клеток. Рождению соответствует занятие пустой клетки фишкой, если занято только три соседних с ней клетки [1, 10].

Все эти правила начинают «работать», если самим игроком задано начальное расположение фишек, после чего игрок не вмешивается в происходящий процесс, игра идет по правилам, т. е. самопроизвольно. Стационарное поведение оказывается представленным устойчивыми или осциллирующими конфигурациями. Весь ход игры опять подчинен определенным правилам (законом), и все разнообразие возникших форм определяется только начальной конфигурацией, «полностью информированным Создателем». Конуэй для иллюстрации возможностей своей игры использовал теорему Ферма, согласно которой машина должна продолжать свой поиск до бесконечности, пока не обнаружит требуемую комбинацию чисел.

Сам Конуэй занимался сопоставлением своей игры с эволюцией живого на Земле, подчеркивая, что невозможно предсказать результат процессов, которые, казалось бы, жестко определены простыми правилами развития. Он писал: «Если взять достаточно большое пространство для игры «Жизнь», задав в нем некоторое случайное исходное состояние, то по истечении достаточно большого промежутка времени в этом пространстве появятся разумные самовоспроизводящиеся существа, которые заселят различные области данного пространства».

В зависимости от начальных условий здесь возможны три варианта эволюции: вымирание фишек, их неограниченный рост или стационарная ситуация, когда на доске возникает некоторая устойчивая или пульси-

518

рующая структура.

Всего три простых правила позволяют имитировать основные закономерности жизни, в том числе недавно установленные теорией самоорганизации. Самое удивительное, что в игре имитируется самовоспроизведение (живых систем). Эта игровая модель иллюстрирует коллективные свойства систем, как и теория самоорганизации. Если жизнь – игра природы, то это не догматические правила и не слепой случай.

Однако, каким бы разнообразием возникших форм или какой бы богатой не оказалась возникшая информация, детермитическое поведение не соответствует концепциям, и экстремальным данным молекулярной биологии. В детермитических моделях законы неизвестны, флуктуации не предсказуемы, поэтому многие биологи склоняются к воле «слепого случая».

Авторы теории самоорганизованной критичности проанализировали игру Конуэя на предмет возможности определить, будет ли колебаться число ячеек со временем, как число песчинок в куче песка. Когда система приходила в состояние покоя, они добавляли одну фишку (организм) в случайном месте и ждали, пока система придет вновь в состояние покоя. Измеряя общее число рождений и смертей в такой «лавине» после каждого дополнительного возмущения, они установили, что распределение описывается степенным законом, т. е. система самоорганизовалась в критическое состояние. Распределение живых ячеек соответствовало фракталу, который описывается тоже степенным законом. Случайно ли это совпадение с правилами игры Конуэя? Игру «Жизнь» считают игрушечной моделью коэволюции. Каждая ячейка может представить ген определенного вида, принимающего значение типа 1– 0. Устойчивость каждого значения зависит от состояния среды, выраженного значениями генов соседних видов. Коэволюционный процесс переводит систему из начального случайного состояния в высокоорганизованное критическое состояние со сложными статистическими и динамическими конфигурациями. Сложность глобальной динамики тесно связана с критичностью.

Биолог Стюарт Кауфман из университета Пенсильвании предложил недавно модель эволюции, в которой виды представлены цепочками чисел или генов. Гены взаимодействуют как внутри видов, так и между ними. Кауфман предположил далее, что сложность жизни может быть связана с существованием критических состояний. Если принять такую модель, то при учете самоорганизованной критичности любая случайно интерактивная динамическая система придет к критическому состоянию. Но тогда эволюция происходит на грани хаоса (что не удивительно, так как все процессы, описанные здесь, происходят на этой грани!). В таком слу-

519

чае, исчезновение динозавров можно было бы объяснить возникшей лавиной в эволюции, а не искать внешнею причину – падение метеорита или извержение вулкана.

Рассматривая эволюцию живого и самоорганизацию систем, можно считать, что основные правила нам известны. Во-первых, это метаболизм, совокупность процессов обмена. Это правило было выделено и как условие возникновения самоорганизации, система должна быть открытой, должен быть обмен энергией и веществом, поддерживающий удаленность системы от состояния равновесия. Во-вторых, самовоспроизведение – одно из основных свойств живого. В-третьих, мутабельность, или способность генов к рекомбинации, чтобы результат обладал новыми непредсказуемыми признаками. Если взять эти признаки за основу, то получается, что игра «Жизнь» соответствует им. Нейман стал рассматривать ее, исходя из процесса самоорганизации живых систем как игры.

Теория игр для эволюции предлагает закон: нельзя определенно и однозначно предсказать конечное состояние живой системы, как и путь к нему. Можно очертить возможности, указать невозможное, дать какие-то ограничения. Поскольку уже известно из теории информации, что эволюция сопровождается ростом ценности информации, то оптимальным будет тот, который обеспечивает монотонный рост ценности информации отбора новых форм. Этот вывод теории оптимизации соответствует вариационным принципам классической механики. Сам процесс эволюции есть сочетание правил (законов) и случая, это взаимодействие, где есть выбор, т. е. причина роста информации.

Эйген пошел дальше фон Неймана, он сравнил «игру жизни» с симфонией, которую исполняет перед нами Природа. Он составил путь приближения к пониманию из ступеней.

Первая – накопление информации. Важно понять происхождение скачка от химической эволюции макромолекул к эволюции живой клетки. Вторая ступень – трансляции. Нуклеиновые кислоты проявили способность накапливать информацию. Но для перехода на следующую ступень им необходимы белки, которые должны использовать свой неограниченный практический каталитический потенциал. Сначала они адаптированы не оптимально, но в каждом случайном распределении имеется достаточно большое число активных структур. Для эволюции они должны воспроизводиться, а одни белки на это не способны. Поэтому нужны и белки и ДНК. Проблема «понимания» макромолекул трансляции сводится к установлению соответствия. Ключ к такому пониманию дает генетический код. Непонятно, откуда он, есть ли промежуточные правила соответствия. Но возникновение генетического кода и аппарата трансляции решающий

520